功率，性能-航空电子设备设计师想要的一切

不久前，航空系统芯片设计师的主流理念可以概括为:“我感到需要——速度的需要。”如今，航空业的顶尖公司已经稍微放慢了油门。还有一个更微妙的讨论是平衡性能和功率的需求，同时考虑其他因素，如安全、安全认证和整体产品生命周期。

尽管新冠肺炎疫情和商业航空旅行大幅下滑，但整体航空市场仍稳步增长。在其2021年1月的报告中，研究和市场预计，从2020年到2024年，军事和航空航天市场的半导体收入将以2%的复合年增长率(CAGR)增长6.32亿美元。主要驱动因素是飞机的持续升级和现代化，以及不断增长的军费开支。

波音公司航空航天和国防垂直解决方案高级总监伊恩·兰德说:“在过去，它通常是性能、性能、性能Synopsys对此。“他们的态度是，‘我要设计一个雷达系统，我需要尽可能地提高它的性能。现在，关于绩效与权力的讨论更多了。他们可以在他们所关心的电力需求之上构建性能。”

实现更好的性能和更低的功耗的最佳方法之一是关注芯片架构，特别是硬件-软件分区。最大的影响在于芯片架构，特别是软硬件分区，

”电力消耗仍然是一个庞然大物，但并不总是1:1的比例。”西门子EDA。“无论哪个行业，更快的设计都会消耗更多的能量。在增加吞吐量的芯片设计中添加计算元素将相应地增加功耗。如果需要扩展数据路径以支持这些额外的计算元素，这也将增加性能。然而，整个设计的增长通常不会是线性的。”

虽然额外的计算元素会消耗更多的能量(有时更宽的总线也是如此)，但与数据存储相关的功耗保持不变。

Klein说:“在许多设计中，存储和检索数据所用的功率，包括内存中的电流泄漏，可能比计算所用的功率大得多。”“对于较小的几何技术节点来说尤其如此。对于大多数设计来说，当添加额外的逻辑时，性能的增长速度将大于功耗的增长速度。所以更快的设计更耗电，但通常更节能。由于在当今的设计中，数据存储和移动往往主导着功耗，任何减少移动或存储数据需求的方法都可以提高功耗和性能。”

来源:美国宇航局麦克斯韦-电力推进飞机

航空电动化
随着技术的进步，一个有趣的动向是全电动选择。更小、更轻、更高功率的电子设备，以促进电动驱动、发电和推进功能，最终将为全电动飞机提供动力。

微芯片技术公司航空航天和国防集团副总监保罗·金塔纳表示，在工业实现这一目标之前，还需要克服一些障碍，主要是为了降低热损失，提高电子设备和冷却系统的效率，从而实现更小、更轻的外形。另一个挑战是采用和使用新技术的速度，这些技术没有几十年的历史，无法证明其可靠性和使用寿命。

微芯片的答案是宽带隙半导体。碳化硅(SiC)用于减少开关和直流电源损耗，从而在更小、更轻的航空电源系统中实现更高的效率。在电力系统中加入SiC可以实现极短的开关时间，这意味着同样低的开关损耗，并允许更高的开关频率，从而实现更小的系统。

这在现有的航空电子设备中很重要，但在电动飞机中也至关重要，目前全球各地的初创公司和知名公司都在开发电动飞机。与电动汽车一样，最大的挑战之一是续航里程，每瓦性能的提高可以决定飞机是否安全抵达目的地。

设计问题和方法
这在很大程度上是全新的，这在一个通过经过充分测试的进化技术实现安全的行业中引起了一些不安。在这个市场，即使能够通过更快的接口传输更多数据(这在其他市场很常见)也产生了问题。

“像PCIe和以太网这样的高速接口不在DO-254的合规范围之内。Aldec。“问题是你需要能够捕捉到结果，但没有办法做到这一点。当你查看调试和波形时，你会得到不确定的结果。使用PCIe，你需要学习UVM和PLM概念，这对于使用传统技术的文化来说并不容易。”

不过，并不是所有东西都落后于技术。的出现数字的双胞胎，或使用虚拟原型，虽然不是新的，但已经获得了动力，可以帮助在设计阶段快速、准确地根除错误，同时在多用途建模中运行模拟。使用数字孪生体，您可以创建物理系统的数字表示。它允许设计师在虚拟环境中快速旋转场景，从错误中学习，并查看哪些工作良好。在数字环境中，您可以快速找出设计的电源性能优化、安全和安全优化等概念验证。您可以同时为多个系统版本建模。Land说:“这缩短了上市时间和部署时间。

例如，如果设计师有一个系统的目标是在商用飞机上使用，并且还想在直升机和无人驾驶飞行器(uav)上使用它，这意味着针对不同的环境重新定位系统。兰德说:“它们都有不同的考虑，它们在空中飞行的高度不同，这意味着它们需要不同的温度性能和安全要求。”“从商业的角度来看，这些数字表示可以巧妙而安全地旋转到每个单独的设计中，这是非常有意义的。”

兰德指出，他几乎每周都会讨论使用数字双胞胎来辅助设计过程。他预计接下来还会有更多。

该公司解决方案和生态系统高级集团总监Frank Schirrmeister表示，使用这种数字化转型可以在产品推向市场的后期阶段省去不必要的工作，因为在找到获胜组合之前，你是在测试现实场景节奏。Schirrmeister说，未来就是现在，他还看到设计师们利用虚拟原型在航空航天领域获得竞争优势。他提到了威尔·罗珀的数字收购白皮书，没有勺子这是数字双胞胎改变游戏规则的一个例子。

这是设计阶段的重大进步。Schirrmeister将数字化转型比作电影《黑客帝国》，他说Roper“谈到了数字化转型，工程师们不是亲自动手，而是构建、测试、原型、失败——然后开始另一个——你能够更早地集成不同的技术或不同的组件，并且实际上做得很好。基于模拟，你可以知道你的功耗是多少，你的热效应是什么，而不是在设计周期的很晚的时候才发现这些问题。”

由汽车训练的飞机
这并不是说航空电子设备设计师没有蓝图。在安全性和可靠性方面，汽车行业也有相似之处，而且存在许多相似之处。两者的系统设计也有更严格的设计要求，包括更长的运行寿命。这是许多设计的良好试验场。

Helmut Puchner，航空航天与国防副总裁兼研究员英飞凌科技他看到这种情况一次又一次地发生，他看到了从汽车行业向航空业的自然发展。这是一个很好的现实测试。“我认为整个环境的发展方式是，许多架构功能将首先在汽车领域实现，如果它通过了汽车认证，它将被提升到航空电子应用领域。如果它在航空电子设备领域取得成功，它甚至可能被提升到卫星或太空应用领域。”

例如，欧洲TT Tech已经开发了一种用于汽车的故障安全以太网交换机。它的效果非常好，该解决方案已被空中客车公司(Airbus)推广到航空电子设备领域，现在正在扩展到太空应用领域。

由于安全因素在汽车和航空中都是至关重要的，因此它在设计中发挥了重要作用，并导致了更系统的方法来验证安全性和可靠性。Synopsys定制设计和物理验证组产品管理和营销总监Anand Thiruvengadam表示，设计师已经创建了“剧本”，根据工具绘制工作流程，让设计师记录和理解整个生命周期验证——早期生命周期、正常生命周期和生命周期结束——并理解设计的故障点，以便从安全角度减轻这些故障的影响。

Thiruvengadam说:“过去更多的是由设计师进行专家级的验证，使用不太正式的起点，说‘好吧，我知道我的设计，我知道工作条件是什么，安全要求是什么，潜在的故障机制是什么，根据我的经验，所以我要确定这个特定的设计或IP或块符合X、Y、Z的要求。’”“现在，我们看到在汽车领域，我相信在其他关键任务应用领域也会发生这种情况，一级公司会说，‘向我证明这些设计在某种程度上是合规的，’”IC供应商正在转向系统分析，并使用软件来显示他们是合规的。这导致了关键任务应用芯片制造方式的范式转变。”

也许是软件的问题
在谈到功耗和性能问题时，西门子的Klein表示，任何减少移动或存储数据需求的方法都可以同时提高功耗和性能。消除在计算中存储中间结果的需要可以改善设计的特性。

他说:“这意味着重构算法，使中间结果不被存储，而是立即传递到下一阶段的计算。”“在RTL级别进行设计时，这种类型的优化很难找到，更难实现。将抽象的层次从RTL来c++或SystemC可以使设计人员更容易找到并实现这种类型的更改。高级合成(HLS)使开发人员能够通过更抽象的表示方式轻松理解算法的数据流和内存架构。HLS工具允许设计人员从单一的算法描述中尝试各种不同的RTL实现，为每种实现提供功能和性能估计。这使得找到设计的最佳功率/性能点更加实际。在RTL级别探索这样的实现替代方案是完全不切实际的。(西门子最近发布了一份报告白皮书如何在航空电子设备DO-254/ED-80设计流程中使用HLS。)

Klein建议将功能从软件转移到硬件，以提高性能并降低功耗。在这种情况下，处理器及其上运行的软件相对较慢且耗电。将计算复杂的功能从处理器转移到硬件可以提高应用程序的速度，同时降低这些应用程序所需的功耗——西门子已经看到许多应用程序的性能提高了10倍以上。

高级合成(HLS)可以帮助将函数从软件迁移到硬件，因为来自软件的C或c++代码可以用作HLS的起点。虽然直接通过HLS编译软件C/ c++函数还不现实，但HLS确实消除了在文档或一系列Zoom会议中描述并随后解释函数需要做什么的需要。原始的C/ c++可以作为黄金参考，消除了预期结果的任何模糊性。有些验证可以在更抽象的级别上执行。RTL可以正式地检查与C/ c++的等价性，从而减少了对新硬件的验证工作。

从长远来看
设计师在开发新系统时也必须有长远的眼光。当他们不这样做的时候，可能会花费时间和金钱。合同制造商MicroBoard的业务发展副总裁Bryan Brady说:“对于设计师来说，在技术的前沿进行设计非常重要，并确保他们在产品生命周期的开始就选择了零件，以及合适的合作伙伴。”否则，他们就会被一个过时的部件困在制造阶段，或者一个接近寿命尽头的部件，他说。

其他人也同意。Microchip的Quintana说:“航空系统设计者需要考虑到系统的各个方面——不仅仅是单个组件，还要考虑各个部件之间的相互作用，并优化其可靠性和最长的使用寿命。”“在当今的经济环境中，管理和拥有供应链是成功的关键因素。确保供应链安全对于成功降低风险、缩短上市时间以及保持生产线正常运行至关重要。”

美国国防承包商表达了在陆上制造和降低原材料供应链风险的愿望。因此，Microchip最近宣布计划扩大其科罗拉多斯普林斯制造工厂，以适应MIL-PRF 19500离散产品。其他公司也在扩大美国市场的业务，因为美中关系不稳定，网络攻击也越来越多。

在整个供应链中，信任、来源和安全都是大问题。这就是为什么Cadence，举例来说，已经经历了工作的过程国防微电子活动(DMEA)成为美国国防部值得信赖的供应商。

这种信任还包括时间因素，以及为较长的生命周期进行设计的能力——最好是与可能在技术生命周期内仍然存在的公司合作。Cadence的Schirrmeister说:“对于整个设计链来说，过时是一个大问题，而且能够长时间保持设计。“你必须确保你的设计是‘面向未来’的，而且你可以进行定制集成。”

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